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    結合高精度和高可靠性的村田MEMS傳感器
    發布時間:2014-08-25   信息來源:巨恩 瀏覽次數:

    對于使用微機電系統(MEMS)技術的半導體產品的需求和應用在早年就已廣泛擴展了。MEMS具有立體可移動結構特性,可以實現機械移動,且與各種電路一起封裝在硅襯底上。采用這種結構可以實現如下功能:將物理量 (壓力、溫度、加速度、等等)轉換成電信號的傳感器。通過接收電信號進行機械動作的執行器。

    20世紀80年代,MEMS產品就已經研發成功。然而,因為與傳統的使用CMOS工藝的半導體相比MEMS的晶片制作過程極其復雜,并且MEMS封裝需要特殊工藝,使得MEMS的標準化和低成本化制造變的十分困難。因此,MEMS產品只用于有限的目的和應用。

    最近,一種適用于大規模生產小型化和高性能MEMS產品的技術被開發出來了,其結果使MEMS產品在家庭和辦公電子設備中的使用率大大增加,比如數碼相機和智能手機,包括汽車發動機控制、醫療設備、噴墨打印機的傳統應用。該 MEMS產品市場在未來幾年有望繼續以每年10%到15%的速度增長,預計將從目前的¥920萬億擴大到¥1.7兆(此預估 由Yole Development評定)。

    2012年1月,村田制作所收購了一家芬蘭的MEMS制造公司VTI。VTI并將其名字改成了村田電子并成為了村田的一員。村田電子提供的高性能和高可靠性的MEMS傳感器使用的是村田原創的3D-MEMS(三 維MEMS)技術,可對應不同的市場和應用。

    村田制作所的MEMS 傳感器

    物體的運動可以 通過6個運動組合來表示,即沿著X軸、Y軸 和Z軸平行運動和圍繞著每個軸做旋轉運動。

    村田制作所可提供能感知平行運動(線性加速度)的加速度傳感器,還可提供可以感應旋轉運動(角速度)的陀螺儀,通過它們的 高精度運動感應和高可靠性的特點,這些設備可用于汽車和船舶的姿態控制,工業傾斜測量設備和醫療應用。

    本篇文章將為您詳細介紹村田原創的高精度高可靠性的傳感器3D-MEMS。加速度傳感器和陀螺儀高精度和高可靠性的特性也將在文章中一一贅述。

    3D-MEMS技術

    例一是使用了3D-MEMS技術的設備。 這個MEMS設備包括一個硅片層,做為可動裝置的一部分,和一個蓋晶片層,它從頂部到底部夾著硅晶片來粘合和密封晶片。這種可動裝置的質量塊和梳狀電極通過彈簧連接支撐在框架上。質量塊和梳狀電極的運動可以通過檢測蓋晶片或者梳狀電極之間的電容變化來得知。村田制作所已采用了通過3D-MEMS實現的平臺技術巧妙結合的思路,只為讓所有產品都能實現高精度的檢測。

    所以,村田能夠使用穩定的制造工藝生產高可靠性的傳感器,并且設定合理的售價。

    3D-MEMS技術的主要特點說明如下。

    原創via結構

    村田制作所在其量產的MEMS產品的引出電極的部分采用了via結構,比其他廠商都早先一步。村田原創的via結構在引出電極之間通過使用硅形成空腔,與玻璃絕緣,同時使電極之間實現高絕緣阻抗和低寄生電容,使得傳感器具有高精度、高可靠性和低功耗的性能。 此外,這種via結構使得它能從任意位置提取電極,這使得產品在設計方面具有很大的靈活性,也有助于產品的進一步小型化設計。

    高精密型空腔控制技術

    3D-MEMS另一個結構上的重要特點是在可動部分和蓋晶片之間有一個2.5微米窄的空腔,這使得高精度電容值測量成為可能。該空腔是由一個非常平整的晶片通過高精密的拋光刻蝕技術和高精度的晶片鍵合技術(將在后面描述)實現的。 該空腔控制技術確保了活動部分上下方向移動時的高精度感應,實現更高的性能和裝置的小型化。

    原子水平的氣密密封

    可動部分和蓋晶片是通過玻璃和硅的陽極鍵合或是通過硅和氧化硅直接鍵合來固定在晶片級上的。這兩種鍵合方法都可以實現固體之間的鍵合,從而實現了質量塊移動時空腔具有氣密密封性,有助于實現更高的可靠性。

    在一般情況下,有時晶片鍵合工藝會導致偶發性的器件的鍵合缺陷。為了防止這種缺陷產品被銷售到市場上,村田以多種方法在發貨前嚴格執行對設備100%的檢查,確保無不良品出廠。村田制作所同樣致力于實現MEMS結構的高精度和高可靠性。接下來通過例舉加速度感器和陀螺儀的設計過程中的實例來說明我們在這部分的努力。

    加速度傳感器

    加速度傳感器的主要原理如下(圖1、例2和例3):一個由彈簧支撐的質量塊,存在加速度時能夠在與加速度一致的方向進行位移,該位移可根據檢測質量塊和蓋晶片之間電容值的變化轉換成電信號。村田通過使用獨特的結構實現了在一個產品中封裝四個質量塊。擁有四個質量塊可以通過額外的傳感軸來獲得信息,使測得的三軸(X,Y和 z軸)上的數據更加真實可靠。提高了檢測的自由度。

    村田制作所通過采用額外軸的優勢開發了一種連續的自我診斷方式。使用這種創新的技術, 村田制作所的傳感器能充分滿足客戶對于用于汽車和其他應用需要高可靠性的需求。

    陀螺儀

    村田的陀螺儀是通過物體進行繞軸旋轉運動,并且通過檢測物體旋轉軸方向與物體本身運動方向兩個方向夾角的變化來檢測物體受到的力(或科里奧利力)??评飱W利力是非常小的,MEMS結構設計的關鍵因素在于如何消除外部的影響和干擾。村田制作所給出了一套完美的解決方案。(圖2)

    通過獨特的結構,實現了高精度的位移監測。在一根細彈簧兩端連接兩個質量塊(圖4的左圖),并且在兩個質量塊的四個點取得信號(圖4的右圖)。通過對這四個信號進行算術運算,在任何方向上的線性加速度和轉動加速度都可以完全被消除。結果就獲得了純的科里奧利力。

    組合傳感器

    特別是在汽車市場上,為了實現高精度的車身姿態控制,對組合了陀螺儀信號和加速度信號的組合陀螺儀傳感器的需求特別大。造成這種需求的原因有很多。原因之一是,在許多發達國家開始立法要求新汽車必須配置有安全功能, 如電子穩定控制系統(ESC),防抱死制動系統(ABS),和輪胎壓力監測系統(TPMS)。另一個原因是新的功能,諸如電駐車制動器(EPB)和上坡起動幫助 (HAS),正在一個接一個被開發出來。村田制作所已經發布了包含兩個傳感器組合在單個封裝中的傳感器(圖3,圖5)。 村田還將繼續擴大組合傳感器的產品陣容以滿足這些新的需求。

    結語

    村田制作所針對具體的目標應用已經研發出了具有高精度高穩定性的MEMS傳感器。除了制造工藝和本文中介紹的MEMS的設計,這一思想也已經徹底滲透進專用集成電路(ASIC)的設計和封裝設計中。因此,村田的MEMS傳感器可為汽車、船舶、工業制造、醫療應用以及其他要求嚴格的應用提供全面的可執行方案。

    MEMS技術還具有其他更加廣泛的應用潛力,未來備受矚目。村田將MEMS作為未來的核心技術之一并且計劃提升發展框架和客戶服務能力以便繼續向市場提供尖端的MEMS產品。

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